Post on 02-Dec-2018
"q;iU>SULATRANSMISSORA LINEAR COr.
TRANSDUTOR DE ELETRETO, PARA use
I ~M TELEFONIA"
\,
Jpaq~ín Roberto Jaime
Dissertação apresentada ao Instituto de
Física e Química de são Carlos, para a
- ~obtençao do Tltulo de Mestre em
Aplicada.
Física
Orientador:Prof.Dr. Milton Soares de Campos
Departamento de Física e Ciência dos Materiais
são Carlos - 1983
~rI.
I
MEMBROS DA COMISSAO JULGADORA DA DISSERTACAO DE MESTRADO DE
JOAQUIM ROBERTO JAIME
~PRESENTADA AO INSTITUTO DE FfsICA E nuTMICA DE SAO CARLOS, DA
UNIVERSIDADE DE SAO PAULO, EM 15 DE dezembro
COMISSAO JULGADORA:
DE 1983.
Dr.
Dr.
Dr.
~Jan F.W.Slaets
Smit
- Orientador
À
Mírian I meus pais
e irmaos
AGRADECIMENTOS
Ao Prof.Dr. Milton Soares de Campos, orientador, pela idéia inicial do trabalho e apoio material durante o mesmo.
Ao Prof.Dr. José Alberto Giacometti (Lençóis), pelas va
liosas discussões e brilhantes sugestões ao iongo de todo o tra
balho.
Ao Eng. Bardini do CPqD - TELEBRÂS , pelas valiosas su
gestões e ajuda na compreensão das normas e sistemas telefônicos.
A Yvone, pelo excelente trabalho de datilografia.
Aos técnicos, Marcos e Dante pelas sugestões e elabora
çao dos protótipos.
Aos técnicos, zé Roberto, Salvador e Lírio pelas valia
sas sugestões e elaboração dos circuitos impressos.
~As bibliotecárias do DFCM, pela eficiência na aquis~ção
de bibliografia.
A todos os demais Professores, alunos e funcionários do
IFQSC, particularmente do Grupo de Eletretos Prof. Bernhard Gross,
que de urna forma ou de outra contribuiram para a realiznção des
te trabalho.
Este trabalho foi realizado com apoio financeiro da
FAPESP, TELEBRÁS, CNPq, FINEP e CNEN.
~NDLCE
Li.sta de ilustrações I
Re sumo •.••.................•........................•........ I V
Ab str act V
Int r od u ção' 1
Capí tulo I - O ELETRETO •.••.•••..•..•••••••.•••••••••••• 4
Capítulo 11 - MICROFONE DE ELETRETO 10
2.1 - Princípio de funcionamento 11
2.2 - Cálculo do campo elétrico no gap ........•.•. 12
2.3 - Cálculo da resposta em frequência e sensibi-
lidade do microfone de eletreto •............ 14
Capítulo 111 - CONSTRUÇÃO DO MICROFONE DE ELETRETO 23
3.1 - Primeiro protótipo de microfone de eletreto. 23
3.2 - Protótipo com colagem de arruelas 25
3.3 - Protótipo final .................•...•...... 27
3.4 - Cálculo das características do protótipo fi-
nal de microfone construído ...........•.... 28
3.4.1 - Frequência de corte superior (f2) 28
3.4.2 - Sensibilidade (SM) 28
3.4.3 - Frequência de corte inferior (fI) .•...•.... 35
Capítulo IV - N~LIFICADOR DA CÂPSULA TRANSMISSORA 39
4.1 - Análise do circuito amplificador .........•. 40
4.1.1 - Análise do pré-amplificador 41
4.1.2 - Análise teórica do amplificador propriamente
di to 43
4.2 - Sistema de teste do amplificador 46
4.3 - Simulação no computador do circuito amplifi-
cado r 48
4.4 - Influência da temperatura na resposta em fre
quê ncia 51
....•/
.•.
Cap~tulo
4.5 - Montagero e encapsulamento da cápsula transmi~
s o,r a •••• li ••••••••• " ••• __ •••••••••••••••••••••• 52
v - RESULTADOS E CONCLUSÕES 55
5.1 - Normas TELEBRÁS para aceitação de cápsulas
transmissoras lineares 55
5.1.1 - Características de emissão ..•.....•.•......• 55
5.1.2 - Distorção de atenuação ......•............... 56
5 .1.3 - Dis torção harmôni ca 57
5.1.4 - Inversão de polaridade 57
5.2 - Sistema padrão para medidas objetivas OREM-A. 59
5.3 - Resultados das medidas objetivas ..•.....•... 60,
5.3.1 - Características de emissão 60
5.3.2 - Distorção de atenuação e distorção harmônica. 60
5 .3.3 - Invers ão de polaridade 6O
5 .4 - Conc 1usão 61
Referências bibliográficas 66
I
Figura 1 Esquema do tri.odo de corona •.•••.•••••.••.••• 5
Figura 2 Triodo de corona utilizado •.•.•••••••••••••. 7
Figura 3 Variação do potencial de superficie de uma a-
mostra polarizada de FEP. (5 mino e 2 meses). 8
Figura 4 Esquema do método do potencial de superfície. 9
Figura 5 Circuito elétrico dos microfones capacitivos
com polarização externa 10
construção tipica de um microfone de eletreto 11
Figura 7 Distribuição do campo elétrico no microfone de
e1etreto ..........•...•....•.•............... 12
Figura 8 Circuito equivalente elétrico do microfone de
eletreto 14
Figura 9 Circuito equivalente acústico-elétrico do mi-
crofone de eletreto 15
Figura 10 Circuito equivalente acústico-elétrico simpll
ficado .•........••................•.....•... 16
Figura 11 Circuito equivalente elétrico com todas as ca
paci tâncias associadas ...•.................. 19
Figura 12 Circuito equivalente elétrico total 19
Figura 13 Primeiro protótipo de microfone construido ... 24
Figura 14 Método de fixação da membrana por colagem de
arrue 1as .••......••.......................... 25
Protótipo final de microfone de eletreto .... 29
Placa fixa sensora (backplate) ....•.•.•.•.... 32
Microfone de eletreto com colagem de arruelas 26
Arruela de separaçao e contato 31
30Carcaça do microfone
Circuito impresso do pré-amplificador e tam -
Corpo interno do microfone ..............•... 33
Figura 15
Figura 16.aFigura 16.bFigura 16.cFigura 16.dFigura 16.eFigura 16.f
Figura 17
Figura 18
11
pa do microfone .•~••,.• r •• ~ •• , •• f •• ~ , ••• , , • 34
Resposta em frequência do protótipo final de
roi c ro fone 3 8
Circuito amplificador da cápsula transmisso-
ra 40
Figura 19 Circuitos anteriores ao protótipo final do
amplificador 41
Figura 20
Figura 21
Figura 22
Circuito equivalente do pré-amplificador ....
Circuito equivalente ac do pré-amplificador.
Circuito equivalente ac do estágio a transi~
42
42
Figura 23
to r 43.
Modelo híbrido simplificado para baixos si-
nais (transistor) .•.•....................•.. 43
Figura 24 Circuito equivalente do estágio a transistor 44
Figura 25
Figura 26
Figura 27
Figura 28
Circuito equivalente total, usado para anál~,
se do estágio a transistor ..............•.• 44
Diagrama em blocos do sistema de teste do a~
P 1 i f i cad o r ••••••••••••••••••••••••••••••••• 46
Circuito equivalente resistivo do "jig" de
transmissão recomendado pela TELEBRÁS ....•.. 48
Resposta em frequência do amplificador levag
Figura 29
tada no sistema de teste (O e 5 Km)
Circuito usado na simulação no computador
49
Figura 30.a -
Figura 30.b -
do amplificador da cápsula transmissora .... 50
Resposta em frequência obtida na simulação
o(O Km , 2 7 e 6 O C) ••••••••••••••••••••••••••• 5 1
Resposta em frequência obtida na simulação
o(5 Km , 2 7 e 6 O C) ••••••••••••••••••••••••••• 5 2
Figura 31
Figura 32
Circuito impresso da cápsula transmissora ..
Cápsula transmissora com encapsulamento ....
53
54
Figura
Figura
Figura
33
34
35
111
Esquem~ elétri,co do "j ~9" de te ste xe cOII)endado,
pela TELEBR1\S •.•••••,.•••• "." ••••• ".••••••• "•• 56
Limi tes de ERT para cãpsulas transmissoras li-ne are s 57
Limites para a resposta em frequência ,de cáps~
Figura 36
Ias transmissoras lineares
Diagrama em blocos do sistema padrão para medi
58
Figura
Figura
Figura
Figura
37
38
39
40
das objetivas 59
Valores de ERT obtidos para cápsulas transmis
soras de carvão, dinâmica e de eletreto ....•.. 61
Resposta em freguência e distorção harmônica da
cápsula transmissora de carvão ......•......•. 62
Resposta em frequência e distorção harmônica da
cápsula transmissora dinâmica 63
Resposta em frequência e distorção harmônica da
cápsula transmissora de eletreto 64
IV
Neste trabalho, mostra •..se o desenvolvimento de uma cáps~
Ia transmissora linear com transdutor de eletreto, como opção pa-
ra substituir o transmissor de carvão atualmente usado nos telefo
nes brasileiros. A cápsula transmissora desenvolvida, é compatí -
vel mecânica e eletricamente com os telefones, graças a um ampli-
ficador a transistor que acopla eletricamente o transdutor à li -nha telefônica, e a um encapsulamento apropriado fornecido por
uma indústria nacional. O transdutor desenvolvido já possui um
casador de im~edância interno, o que evita interferências eletro
magnéticas. O amplificador é bastante estável contra variações de
temperatura e componentes, protegido contra sobre-tensões e inver
são de polaridade. Os resultados de medidas objetivas OREM-A mos-
traram as excelentes características do protótipo desenvolvido
que satisfaz plenamente as normas TELEBRÁS.
v
In this work, we show the development of a linear trans
mitter with electret transducer, as an option for the carbontrans
mitter actually used in the brazilian telephone sete The trans
mitter developed is electrically and mechanically compatible with
the telephone, by means of an amplifier which couples the transdu
cer with the telephone line, and a adequated involucre furnished
by a brazilian industry. The transducer developed has an internal
impedance converter, that avoids electromagnetical interferences.
The amplifier is very stable against component variations and tem
perature, protected against polarity inversion and over-voltages.
The results of OREM-A objective measurements, show the excellent
characteristics of the developed prototype, that fully satisfies
the TELEBRÂS standards.
1
;LNTRODUÇÃO
Sabe-se que as principais funções de um aparelho telefôni
co sao:
a) Fechar um circuito De, ligando o 'assinante à central,
através da linha telefônica.
b) Gerar sinais codificados, representando os dígitos ne-
cessários pelo equipamento da central para efetuar a
ligação.
c) Converter sinais elétricos vindos da central, em si-nais acústicos, para atrair a atenção do assinante sen
do chamado.
d) Converter sinais acústicos em sinais elétricos, para a
transmissão da mensagem até o receptor do outro assi -
nante.
e) Converter os sinais elétricos vindos do transmissor do
outro assinante, em fala audível.
Durante os últimos cem anos de uso do telefone, estas fu~
çoes tem sido conseguidas usando circuitos magnéticos, contatos me
cânicos e grânulos de carvao.
o componente que tem permitido a transmissão de sinais de
fala sem amplificação adicional, através de distâncias considerá -
veis e o transmissor de carvão, que ao mesmo tempo que converte os
sinais acústicos em elétricos, introduz amplificação de-40 a 50 dE
com tensão de alimentação entre 4 e 5 v.
Sabemos também, que a qualidade das conversações por tel~
fone, está completamente determinada pela qualidade dos canais de
transmissão e recepção. A disponibilidade de amplificadores eletrô
nicos, permitiu um grande avanço na melhoria da qualidade, tanto do
nível, quanto da naturalidade da fala. Estudos (I) tem mostrado que,
2
na prãtica, a transmissão não pode ser otimizada com o microfone
transmissor de carvão, surgindo a necessidade de um outro
de transmissor.
tipo
Para substituir o transmissor de carvão, podem ser usa-
dos microfones lineares (relação linear entre pressão acústica e
voltagem de saída) baseados em diferentes princípios físicos,en-
tre os quais podemos citar como principais, os seguintes:
- Piezoelétrico
- Eletromagnético
- Eletrodinâmico
- Eletreto
Destes vários princípios, o eletreto aparece como a me -
lhor opção, seja técnica ou econômica, e por isto é motivo de estu
do em vários países, serido que Inglaterra e Suécia já estão usan
do as cápsulas transmissoras lineares com microfone de eletreto .
Em comum, os microfones citados acima, tem, a necessidade de um
amplificador eletrônico, para acoplar o microfone aos sistemas te
lefônicos. A mudança de transmissor, para ser viável, tem de ser
feita sem introduzir modificações nos sistemas usados atualmente.
Neste trabalho, mostra-se o desenvolvimento de um protó-
tipo de cápsula transmissora linear com transdutor de eletrefo
sem introduzir modificações no aparelho telefônico.
No capítulo I será abordado o eletreto, q teoria bási.•.~~" .-"
ca e os processos de obtenção. No capítulo II, o mi'crofone de ele
treto, sua teoria e princípio de funcionamento. No capítulo 111 ,. '
a construção do microfone de eletreto usado neste trabalho, suas
características e a comparação dos valores teóricos com os vaIo -
res obtidos para os parâmetros de interesse. No capítulo IV se-
rá analisado o amplificador da cápsula transmissora, os requeri -
mentos, o cálculo, a análise teórica e os resultados obtidos. Se-
rá mostrada também, a simulação no computador do circuito nos sis
3
temas telefôniços, o sistema de teste do amplificador e os vários
circuitos utilizados até chegar ao circuito definitivo.
~ - -No capltulo V, serao descritas as normas padrao para caE
sulas transmissoras lineares e o equipamento usado para confe
rir estas normas. Também serão mostrados os resultados obtidos nas
medidas objetivas, a comparação com outras cápsulas transmissoras
e as conclusões do trabalho.
4
CAPITULO Io ELETRETO
(2) ~O eletreto e um armazenamentoquasepermanente de car-
ga elétrica, que dá origem a um campo elétrico estático. Podemos
pensar no eletreto como o equivalente elétrico do magneto, daí a
ori gem do nome.
o primeiro a especular sobre a existência do eletreto foi
Olivier Heaviside por volta de 1890 ,que também foi o primeiro a
usar a palavra eletreto.
Trinta anos mais tarde, o físico japonês Egucliire-inven-
tou a palayra eletreto e conseguiu produzir corpos com proprieda
des elétricas análogas às propriedades magnéticas dos ímãs perma -
nentes.
Durante 1CLllitotempo, o eletreto permaneceu como curiosid~
de científica. Foi somente depois do descobrimento de que certosp~
límeros, disponíveis em filmes bastante finos, possuem proprieda -
des de armazenamento de carga elétrica, que o interesse por apli-
cações práticas do eletreto motivou a pesquisa intensa destes mate
riais, e assim, o seu comportamento físico foi amplamente explica-
do.
A principal aplicação dos eletretos tem sido em microfo -
nes dos mais diversos tipos, no entanto, os eletretos tem sido ut~
1, d "d l' - t' (3) d ' t' dlza os nas malS varla as ap lcaçoes, alS como : OSlme rla e
radiação, eletrofotografia, filtros de ar, motores, geradores e
gravaçoes eletrostáticas.
o material mais usado na atualidade como eletreto para mi
crofone é o Teflon FEP (Fluor Ethyl Propylene) fabricado pela Du
Pont Nemours. No entanto vários outros materiais já foram bastante
usados, tais como o Mylar , o Aclar e o Kapton-F. Todos fabr~
cados pela Du Pont, com exceção do Aclar, fabricado pelaAllied
5
CheJnÍ.calcorporation.
Dentre as várias maneiras de se produzir um eletreto, po
demos citar como principais, as seguintes:
- Terrooeletretos
- Radiação
- Carga Líquida
- Descarga Corona.
1" d (4) "Destes processos, ana lsaremos a escarga carona ,p01S
este é o processo usado, neste trabalho, para produzir os eletre-
tos.
Para produzir eletretos por descarga carona, é usado o
chamado triodo de carona, mostrado na Figura 1 e descrito a se
guir
Ponta Corona
Grade ---=r ----- ---metdllca
filme
Metalizaca-odo filme
Suportemetóilco
FIG. 1 - Triodo de Carona
6
A fonte de alta tensão -Vc (rv 6kV)( aplicada à ponta co -
rona, produz ionização no ar (descarga coronal. Estes ions são a-
celerados pela grade metálica que está ao potencial da fonte -Vg,
fazendo com que os ions alcancem a superfície do filme. Os ions
são presos no dielétrico em armadilhas (traps), próprias do mate-
rial. O acúmulo de carga na superfície do dielétrico, dá origem a
uma densidade de carga superficial 0c, que por sua vez originao po
tencial equivalente de superfície Vs. Quando esse potencial de
superfície Vs, atinge o valor -Vg o campo elétrico entre a grade
e a superfície do dielétrico é cancelado, terminado assim o pro -
cesso de polarização. Para Vg = SOOV, amostra de FEP com espessu
ra de 2S~m, distância entre grade metálica e filme da ordem de
1,Ocm, o processo demora aproximadamente 1 minuto. A relação en -
tre a densidade superficial de carga (oc) o potencial de superfí
cie (Vs) está expressa na equação~l.l.
(1.1)
com E = constante dielétrica do filme
dI = espessura do filme
Esta expressao é facilmente deduzida considerando o fil-
me polarizado como um capacitar de placas planas paralelas de
área A e carga Q = ocA. Neste trabalho, a maioria dos resulta
dos será dado em função do potencial de superfície Vs' -ao contrá-
rio da maioria dos autores que usa a densidade de carga 0c. Prefe
rimos usar Vs porque este é o parâmetro controlado diretamente no
triodo de carona. O método por descarga carona possui como vanta-
gem principal , a sua simplicidade, já que não é necessário vácuo
nem instrumental sofisticado. O triodo de carona usado neste tra-
balho está mostrado na Figura 2 .
7
alto - tensõo
oito-foi ante 1111:',-- I
FREINTE
•...•..•...•...
IOem
sistema de regulo- gem do grade
LATERI\L
\,\
FIG. 2 - Triodo de Corona Utilizado
Os eletretos criados por descarga corona são bastante es-
táveis. Na Figura 3, mostramos a variação do potencial de superff
cie de um filme circular de FEP, polarizado com Vs = -500V, após 5
minutos e após 2 meses, ao longo da linha central do filme. A medi
da foi realizada usando um voltímetro eletrostático.
Como podemos notar não existe variaç'ão significativa. Estu
dos baseados no princípio de superposição tempo-temperatura, mos -
tram que o potencial de superfície se mantém praticamente constan
te durante períodos de muitos anos, daí a designação de armazena -
mento quase permanente de carga.
-500
o
--- - 2 meses5minutos
,\'~
73,Omm
8
FIG. 3 Variação do potencial de superfície, 5 mi~
nutos e 2 meses após a polarização.
Para medir o potencial de superfície Vs existem voltíme -
tros eletrostáticos importados, no entanto, utilizamos um méto
do bastante simples e preciso, chamado método de compensação de(4 )
Kelvin, cujo esquema está mostrado na Fig. 4 . O método consis
te, basicamente, em fazer um microfone usando o dielétrico polari-
zado.
Colocamos o eletreto para vibrar, usando um suporte vi
brante (e.g. acoplado com um "alto-falante) e aplicamos um poten -
cial Vg de mesma polaridade a Vs na placa sensora fixa. Quando há
diferença de potencial no gap entre a grade e o filme,existe um
campo elétrico, que daLá origem a uma corrente através da resistên
cia de medida RM' proporcional as vibrações do suporte vibrante
Quando o valor de Vg for igual á Vs' o campo no gap se
anulará e assim também a corrente na resistência RM. Portanto, va-
riando Vg e observando quando o sinal em RM se anula Ce.g. com um
osciloscópio) determinamos facilmente o valor do potencial de su -
perficie Vs.
9
CI~C~~~~~~~~~_
Filme Carregado
Suporte do FilmeVQ(DC)
\CEcilos
/
FIG. 4 - Método de medida do potencial de superfície
Ambos sistemas de medida e de polarização podem ser com
binados, formando um sistema só, de tal forma que é possível, fa-
zer as duas coisas ao mesmo tempo.
Existem outros métodos de medida de carga elétrica em e-
letretos, alguns destrutivos, como o método de corrente termoesti(4 )
mulada (TSC) e outros não destrutivos, como o método do pulso té~
mico (Heat pulse) (5), os quais podem ser usados para determinar a
localização exata das cargas no eletreto. Neste trabalho conside-
ramos somente o efeito dessa carga, manifestada no potencial de
superfície Vs.
10
CAPITULO I):
MICROFONE DE ELETRETO
o microfone de eletreto pertence a categoria dos microfo
nes capacitivos, com a principal diferença e vantagem de não ne -
cessitar de polarização externa, pois a polarização necessária p~
ra a transdução é proporcionada pela carga elétrica contida na
superfície do eletreto.
o princípio de funcionamento dos microfones capaciti
vos e baseado na variação do espaçamento entre as placas de um
capacitor especialmente construido. Neste capacitor, uma das pla-
cas e uma membrana tensionada a qual vibra de acordo com a pres -
sao acústica incidente, variando o espaçamento entre a membrana e
uma placa sensora fixa, a qual constitui a outra placa do capaci-
tor. No caso dos microfones capacitivos tradicionais, o campo elé
trico necessârio entre as placas do capacitor, para transformaras
vibrações da membrana em sinais elétricos correspondentes, é dado
por uma bateria externa, como mostrado na Figura 5.
Microfone
R
Ao
ampliEo
: I ficador
FIG. 5 - Circuito elétrico dos microfones capacitivos
com polarização externa.
11
A principal desvantagem dos microfones capacitivos, ~ a
necessidade de pré-amplificadores com alta impedância de entrada,
devido a baixa capacitância que apresentam na saída. Com o surgi-
mento dos amplificadores a transistor e sua posterior miniaturiza
ção, esta desvantagem tem sido superada.
Com o surgimento dos microfones de eletreto, que podem
ser miniaturizados sem perda de sensibilidade, e dos circuitos in
tegrados, tem sido construidos microfones de tamanho bastante re-
duzido, com o pr~-amp1ificador fazendo parte integrante do micro
fone.
2.1- Princípio de Funcionamento
A construção de um microfone de eletreto típico está mos
trada na Figura 6(3)
membranametalizada
gap
placa fixacavidade
interior
Furos de Iigacãona placa fixa
Saida
FIG. 6 - construção típica de um microfone de eletreto
A membrana está polarizada na superfície não metalizada,
com densidade de carga o , que dá origem ao campo elétrico entre ac
12
membrana e a placa fixa. Os furos na placa j~xa tem por finalidade
ligar o volume de ar do gap (entre membrana e placa fixa)~
quee
muito pequeno,
ao volume de ar maior da cavidade posterior.Tal
cavidade é responsável pela força de restituição aplicada na partenão metalizada da membrana, e assim, responsável em parte pela fre
quência de corte superior na resposta do microfone.
- _ . (3)2.2- Calculo do campo eletrlco no gap
Consideremos a Figura 7
metalização
membrana
placa fixa
FIG. 7 - Distribuição do campo eletrico no microfone de
eletreto
Pela continuidade do fluxo elétrico na superfície não me-
talizada da membrana, temos
= (2.1)
Da integral de linha do campo (em curto) temos
= o (2.2)
13
Combinando as equaçoes l2.1} e (2.2) obtemos
(2.3)
Com def = (2.4)
K = constante dielétrica relativa do FEP
Convêm expressar o campo E2 em função do potencial de su-
perfície V , originado pela densidade de carga a , pois ao polaris c-zar a membrana este é o parâmetro controlado diretamente no trio-
do de corona.
Da equação (1.1) sabemos que
a =c
com Vs = a c
, portanto
na equaçao (2.3) obtemos
V= __ s_
def (2.5)
o valor máximo de E2 é limitado de tal forma a não ultr~
passar o limite de ruptura paschen(6), que descarregaria o eletre
to por arco e de forma que a força de atração eletrostática\
atraia a membrana até a placa fixa, impedindo a membrana de
-nao
vi -
brar(7) . Podemos ver então, que existe um compromisso entre os pa
râmetros elétricos do microfone , de tal forma que a máxima sensi
bilidade e capacitáncia estão limitadas pelos fatores citados.
14
2,3- C~lculo d~ resposta em fre~~ênc~a e sensibilidade do microfo
ne de eletreto
Os limites da resposta em frequência do microfone de ele
treto são deter-minadospelas características geométricas do micro-
fone e pelas características de entrada do pré-amplificador. A
frequência de corte inferior (fI) é determinada pela capacitância
do microfone (CM) e pela resistência de entrada do pré-amplifica-
dor (Re). O microfone pode ser considerado como o circuito equiv~
lente da Figura 8 , que corresponde
-
FIG. 8 - Circuito equivalente elétrico do microfon~ de
eletreto
a um circuito passa-altas, com frequência de corte fI
dada por
= (2.6)
capacitância equivalente do microfone. Quanto menor a cap~
15
citância, maior tem de ser a impedância de entrada do amplific~
dor, para não prejudicar a resposta do microfone em frequências
baixas. Por exemplo, para um microfone com capacitância de lOpF
(valor típico) e frequência de corte inferior de 20Hz (Audio) é
•
necessário um amplificador com impedância de entrada da ordem
de 8xl08~. A frequência de corte superior (f2) é limitada pelos
parâmetros geométricos ligados com a acústica do microfone, es-
pecificamente com aqueles que limitam a vibração da membrana.
• na; o
Para calcular a frequência de corte superior, oonsidere-
.. to . al t - t· l-t' (8) d . 9ClrCUl eqtllv en e acus lCú-e e rlCú TIDstrao na Flgura .
rmMmemrfMf• - --..~
y
JWV
P
rCITC2
• I
o• FIG.
9- Circuito equivalente acústico-elétrico do
microfone de eletreto
onde r=resistência acústica da membranam
Mm
=inertância ,acústica da membrana
Cm
=compliância acústica da membrana
Cl
=compliância acústica do volumedear entre mem
brana e placa fixa rf
=resistência acústica dosfurosna placa fixa
Mf
=inertância acústica dosfurosna placa fixa
C2
=compliância acústica do volumedear da cavida
de pos terio r
16
p =pressão acústica aplicada na membrana
v = volume deslocado pela membrana, devido a pressão a
cústica
w = velocidade angular
Para facilitar o cálculol assumimos que: Cl «C21 pois
a compliância acústica é proporcional ao volume.
Mf « Mm, pois a inertância acústica é proporcional a
massa. Com estas simplificações, o circuito equivalente da Figura
9 se reduz ao circuito mostrado na Figura 10
Mm
jwv
em
p ~
0 12
FIG. 10 - Circuito equivalente acústico-elétrico simpl.!.
ficado
Neste caso, a pressão acústica p corresponde a voltagem
aplicadal e o volume deslocado v, multiplicado por jw, a corrente
obtida, ou '3eja:
pjwv = (2.7)
Simplificando obtemos
----------."
17
v = (2.8)
com c' =rn
o volume deslocado pela rnembrana(v)é dado por v =AS
onde A = área da membrana e s = deslocamento da membrana. A equa-
ção (2.8) é típica de um circuito passa-baixas com frequência de
corte f2 dada por
1f'
=
2TI! MmC~
2
M
Mm=-com
A2
Ah
C2
=~
c' :o:
Pom
M =massa da membrana
A
=área da membrana eda cavidade posterior
h
=altura da cavidade posterior
Po
=densidadedo ar
C
=velocidadedo som no ar
(2.9)
(2.10 )
Substituindo (2.10) em (2.9) obtemos
f2
= 1
2'IT/~
=1
h
2TI/omh. \
A
POCL
(2.11)
P C2
o
Com 0m= M
A= densidade superficial da membrana
Para frequencias menores que f2 podemos
jw(rm+rf) e .ú/Mm na equação (2.8) obtendo assim
18
desprezar
v = AS = PC' -'-~m
S = PC~A
(2 .12)
Substituindo o valor de ~ obtemos
S - PhP
- pcz-=
õ{;)L (2.13)o
fi 2
2
~Comw2 = (2nf )=
2 2 °mh
o sinal elétrico na saída do microfone VM é dado pelo
produto do campo E2 e o deslocamento S introduzido pela pressão a
cústicar ou seja
Assim
VM =SE2
p
Vs
VM
=- 07defm 2(2.14)
(2.15)
A sensibilidade SM é definida como
= I~I (t,(
.j \ + d Lt
j I (2. 16)
Este valor não considera as capacitâncias introduziI
das pelo pré-amplificador e pelo suporte da membrana que também e
de material dielétrico.
Estas capacitâncias podem ser consideradas como
na saída do microfone, como mostrado na Figura 11.
cargas
19
Csl I Ce
onde ,
FIG. 11 - Circuito equivalente elétrico considerando o
espaçador e o pré-amplificador
Cs = capacitância associada ao suporte da membrana
Ce = capacitância de entrada do pré-amplificador
Usando o equivalente de Thevenin podemos simplificar p~
ra o circuito da Figura 12
Ceq
I O
FIG. 12 - Circuito equivalente elétrico total
VA assim a sensibilidade total Se = I pel
pode ser escrita como
=
20
(2.17)
e a frequência de corte inferior como
= (2.18)
Resumindo, a resposta do microfone de e1etreto tem fre -
quências de corte:
= =
com sensibilidade no meio da banda, dada por
=
Para a sensibilidade, os valores típicos, são de ordem- - \\()..
de 1 a 20 mv)~~a'~J\(lPa = ~ = 10 llbar).
É interessante notar, que a sensibilidade é independen -
te da área da membrana. Assim o limite para miníaturização é im
posto pela capaci tância equivalente do microfone e a impedância de
entrada do pré-amplificador, os quais determinam a resposta nas
frequências baixas.
Sessler e West(3) propõem para a sensibilidade e frequêg
cia de corte superior, as fórmulas
SM=hodl
EdefyPo
(2.19)
com
yPnA» 81fTh
(~)
1/2
(;,)2
= (2.20)
hOm
21
onde
T .-tens~o mecâ,nica
p -
pressão atmosféricao - - ~(1,14 para o ar)y
=relaçao de calor especlfico
h
=largura efetiva das camadas de ar sob a placa fixa.
Sabemos que a pressão devido a um fluxo de partículas num
determinado meio é dada aproximadamente por P = pCv
p-
com=pressao
p
=densidade do meio
C
=velocidade do som no ar
v
=velocidade das partículas no meio
Para ar e pressao atmosférica ternos
=
P = pressao atmosféricao
Po = densidade do ar
usando a equaçao (2.21) em (2.20) obtemos
(2.21)
= = (2.22)
obtemos
que corresponde a equação (2.11) deduzida neste trabalho.
Para a sensibilidade SMI usando a equação (2.4) em (2.19)
= ~defyPo
(2.23)
usando a eq. (2.20) em (2.23) obtemos
= (2.24)
que difere da fórmula deduzida neste trabalho pelo fator 1=y
0,88.
22
11,14 =
Comparamos nossos resultados com aqueles obtidos por Ses
sler e West(3) ,pois estes são os criadores do microfone de ele -
treto moderno e seus resultados tem sido usados como referência na
maioria dos trabalhos sobre microfones de eletreto.
Como pode ser notado, a tensão mecânica da membrana nãoin
flui na sensibilidade. Isto é possível, desde que seja manti
da num valor relativamente baixo, da ordem de 10 N/m, de tal for-
ma que a força de restituição da membrana seja dada pela compress~
bilidade das camadas de ar sob a placa fixa. Isto é assumido no
cálculo teórico e realizado na construcão do microfone de eletreto ..
23
CONSTRUÇÃO .DO MICROFONE DE ELETRETO
.....Na construçao do ~icrofone de eletretor optou-se pelo pr~
cesso mais simples e econômico. Neste processar a membrana acumu -
Ia as funções de elemento ativo e sensor, ou seja, a membrama a-
lém de ser o elemento vibrante, também é o eletreto. Nos microfo -
nes de eletreto de alta qualidade e de frequência de corte supe-
rior bastante alta, as funções de eietreto e membrana são executa-
das por elementos diferentes. Nestes microfones o eletreto está 10
calizado na placa fixa e a membrana normalmente é metálica. Des-
ta forma, é possível otimizar separadamente as propriedades elétri
cas e mecânicas do microfone.
3.1- Primeiro protótipo de microfone de eletreto
A forma mais utilizada para manter a membrana tensiona
da é colar uma arruela metálica no lado metalizado da membrana,~
esta ter sido tensionada, o que facilita a montagem e o manuseio .
Este processo foi ex:p=rirrentadoiniciaJ..rrenteneste trabalho, sendo aban
donado depois de várias tentativas,sem sucesso, de colar uma arruela me-
tálica tanto no lado metalizado com alumínio quanto no lado noo rre-
talizado de filrresde Teflon FEP. IEscObriu-seentão, que não existe um ti
po especial de FEP chamado FEP-C,especial para esta aplicação.Este
material consiste de FEP submetido a um tratamento de - superfície
feito pelo fabricanter que não altera as propriedades elétricas e
permite colagem no FEP. Não foi possível encontrar este material.
Outra tentativa foi a de mudar o metal éepositadono FEP, no caso alumí-
nio, para um outro metal de maior aderência como o cromo. Em fil
mes metalizados com cromo foi possível colar uma arruela de latão r
usando cola super-bonder, no entanto, a aderência não foi satisfa-
24
LATÃO
MEMBRANA~-------I---,~LUCITE
~
I-L
cb
FIG. 13 - Primeiro protótipo de microfone desenvolvido
25
t6ria, de tal forma que a arruela podia ser retirada sem esforço,
junto com a metalização.
Abandonado o processo de colagem, foi necessário um novo
método de fixação. O primeiro método utilizado foi a fixação da
membrana com uma arruela parafusada. O primeiro protótipo de mi
crofone construido com este processo está mostrado na Figura 13
Neste microfone, o espaçamento entre membrana e placa fi
xa é dado pelas saliências no backplate, que foram conseguidas ex
perimentalmente no torno. O processo de construção era extremamen
te complicado, de tal forma que nem todos os microfones tinham a
mesma resposta, dependendo quase que exclusivamente da habilidade
do técnico no torno mecânico.
Devido às dificuldades de construção e ã falta de repro
dutibilidade, este protótipo foi abandonado.
3.2.- Protótipo com colagem de arruelas
Outro método utilizado, foi a colagem sob pressão de duas
arruelas concêntricas de diâmetros internos iguais. Urna metálica
(latão) e outra isolante (lucite) de diâmetro externo ligeiramente
maior, com o filme preso entre elas, corno mostrado na Figura 14
PRESSÃO
l !COLA....s- ~=========~~ COLA
""" "., I /. ~ MEMBRANA /~m ~t t
PRESSÃO
FIG. 14 - Método de fixação da membrana por colagem de arruelas
26
Este processo, apesar de co~plicado na montagem, aprese~
tou bons resultados para microfones de diâmetro grande (> 15 mm) .
Com este processo foram montados alguns protótipos de microfone,
que apresentaram bom desempenho. O protótipo de microfone cons -
truido com este processo está mostrado na Figura 15
16,Omm
MEMBRANA
,,~~__ 0~--~~
~
~
ENCAPSULAMENTO
ARRUELAS
DECOLAGEM
BACKPLATE
CAVIDADE
INTERIOR
BACKPLATE
~ LATÃO
~ LUCITE
FIG. 15 - Microfone de eletreto com colagem de arruelas
Neste microfone, o espaçamento entre membrana e placa fi
xa, e dado pela espessura da arruela isolante, que vai em con
tato com a placa fixa, ou seja , a espessura desta arruela e
feita ligeiramente maior do que a altura da área útil da placa fi
27
xa.
3.3- Prot5tipofinal
Como os microfones foram montados dentro do invólucro de
uma cápsula não específica para nossos protótipos, devido à limi
tações de espaço, houve necessidade de se reduzir as dimensões do
microfone. Por essa razão o processo de colagem foi abandonado,
pois não permitia redu!ões apreciáveis. Partimos então, para en
contrar um processo que permitisse construir protótipos de micro
fone, reprodutíveis, com diâmetro externo da ordem de 10 mm. A so
lução encontrada foi o método de bastidor. Este método consis
te em usar o próprio encapsulamento metálico do microfone, para
manter pressionada a membrana contra as peças internas do microfo
ne.
o método pode ser usado também para microfones de maior
diâmetro extern~ Optou-se por uma placa fixa de formato plano
devido a facilidade de construção e reprodutibilidade. O espaça
mento entre membrana e placa fixa, foi obtido usando uma arrue
la de material isolante, de formato bem definido, como espaçador.
O material do espaçador teria que ser eletricamente isolante~ de
boa rigidez mecânica e de espessura bem definida. Um material que
reune todas estas características é o Mylar , que foi o esco
lhido. O corpo do microfone, teria que ser de material isolante e
fácil de se manipular no torno mecânico, para isso, fo~ escolhido
o lucite. Para o material do encapsulamento, da placa fixa e da
arruela de separação e contato entre membrana e encapsulamento
foi escolhido o latãol devido a facilidade de torneamento mecâni
co e possibilidade de soldagem com estanho, do tipo usado em cir
cuitos eletrônicos. Considerando todas as características mencio
nadas, foi construído o microfone mostrado nas Figuras l6.a a
28
16 . f .
o método de teste dos microfones, apesar de empfrico ,mostrou-se durante a fase de desenvolvimento, bastante útil. Foi
construido um acoplador mecânico com um calibrador sonoro incor-
porado. Este calibrador, emite um tom de 1 KHz com pressão acús
tica de 94,6 dB, referidos a 2xlO-4~bar, ou seja, lO,7~bar. As -
sim, com este calibrador é possível medirmos a sensibilidade no
meio da banda e com isto, verificar a reprodutibilidade dos roi -
crofones com respeito a sensibilidade.
3.4- Cálculo das características do protótipo final de microfone
construido
3.4.1- Frequência de corte superior(f2)
Da Eq.
2.11.temos que
f =
1
2 2 I omh 'n~Po
Para o microfone das Figuras
16.a a16.f temos
om
h
-2 2= 2,5xl0 Kg/m (FEP,
-3= 4,6xl0 m
31,18 Kg/m
espessura 25~m)
C = 345 m/s
f2 = 5,56 KHz
3.4.2- Sensibilidade (SM)
Da Eq. 2.16. temos que
=
W2=2nf2
def =
25 -6 -6
(:2 + 50)x 10 m = 62,5xlO m
Vs
=- 500V
29
~~ l ~~,ç~A 1(2)
~ LATÃO
~ LUCITE
m FIBRA DE VIDRO
FIG. 16.a - Protótipo final de microfone de eletreto
(1 - Carcaça, 2 - Arruela de separaçao
3 - Backplate, 4 - Corpo interno,
5 - Circuito impresso) .
0110,050"',0
FIG. 16.0 - Carcaça do microfone
corte AB J
B
30
C/> 1/ 0,0corte CD
31
c
FIG. l6.c - Arruela de separaçao e contato
o
32
(/)18,9corte EFJ
F
.~
o..N
Io--$-.
\ .I."
O~
EL.
FIG. 16.d - Placa fixa sensora (backplate)
corte GH
f/J19,010.0
tO
Ó
o..
o..
1O
33
G
FIG. 16.e - Corpo interno do microfone
H
.J
34
IL.
)
corte I
J
.J
FIG. 16.f - Circuito impresso do pré-amplificador e tam-
pa do microfone
0,2622
V!Pa x lO = 26 (2 JnV~)Jbar
35
SM ainda não considera a divisão de tensão na capacitâ~
cia associada ao espaçador.
3.4.3- Freguência de corte inferior (FI)
Para o cálculo da frequência de corte fI' é necessário
calcular primeiro as capacitâncias envolvidas.
A capacitância associada à parte vibrante da membrana
(Cm) é dada por:
c =m
-12K = 2,0
(FEP)com EO=8,85xlO Fim,
-6 2Aro
=50, 30xlO m~
(225+ 50)xlO-6m
-6==62,50xlO m
defmO diâmetro para cálculo da área Am é ~ = 8,0 mm.
Para os valores citados obtemos
c = 7,12 pFm
A capacitância associada ao espaçador (CE), é dada por
EE=EoAE
K = 3,4(Mylar)defE
,
com
Eo=8,85xlO-12 .FIm
-6 2~
=28,30xlO m
defE =
25 50 -6 -6
(2 + ~4 )xlO m = 27, 2lxlO m
~
=9,20 pF
Assim, a capacitância total, associada ao microfone (Ceq)
e dada por
36
Ceq =CE + Cru = 16,32 pF
A capaci tância de entrada do pré-amplifi cador é da ordem
dê 2 a 3 pF ê não ser~ considerada no c~lculo. 'A resist~ncia de
entrada do pré-amplificador, medida, é de 30 M~.
Com estes valores, achamos a frequência de corte fi (sem
fI =1 ....•745 Hz ;1
2TIC~qRe= 325 Hz (2.18)
o fator de perda de spns'ibilidade, devido a divisão ,de
tensão entre a membrana e o espaçador e
Cm
Ceq= 7,12
7,12+9,20= 0,44
Assim, a sensibilidade total (Se) e
CSe = (fID-)SM = 26,2xO,44 = 11,43 mV/~bareq
correspondente a -40dB (reI 1V/~bar)
(2.17)
A perda de sensibilidade de mais de 50% é compensada pe-
Ia diminuição da frequência de corte inferior, de 745 Hz para
325 Hz, o que permite cobrir toda a faixa de telefonia (300 a
3400 Hz) .
Na Figura 17 está mostrada a resposta em frequência do
microfone das Figs. 16.a a 16.f Como pod~-se observar da Fig .
17 , a resposta é compatível com os valores teóricos calculados.
Foram montados vários protótipos, os quais confirmaram a reprod~
tibilidade dos valores teóricos. O pico da resposta em 5,5 KHz, é
devido a que a frequência de corte superior f2 ' se manifesta co-
.........- •..'~-,_._-~---~_.".~ '-".--- .. -~~-'.... ".--.-.---- .•......
~ B',GL;:J::J.f, C'<1L __. .. .__~s I ; ,\
, ..'.. ','~r 1: .•••.•. L'~' .--
37
A" ~ d"" - d 3 dBl91 ...mo ressonanCla e nao como lmlnulçao e ... Este prototlpo
'I I f"\ I ••de microfone de eletreto, se aaapta as eXlgenclas aa
transrnissora linear, e é considerado o protótipo final nestetra
balho.
co"C
-20
-30
-40
-50
ReI. IV/ubar
100 Hz 200 500 1000 2000 5000 10000
FIG. 17 - Resposta em frequência do prototipo final de microfone
w(X)
39
CM! 'rULO l..Y
AMPLIFICADO~ DACÂPSULA TRANSMISSORA
o amplificador da cápsula transmissora, tem por finalida
de, acoplar o microfone de eletreto aos sistemas telefônicos já
existentes, proporcionando as caracterIsticas elétricas necessá -
rias para satisfazer as especificações TELEBRAs. O amplificador,
deve estar encapsulado junto com o microfone de eletreto, de tal
forma,que o conjunto seja compatIvel mecanicamente com os telefo
nes em uso na atualidade. Considerando as caracterIsticas do mi -
crofone construido e as especificações ~LEBRAs, o amplifica
dor deverá possuir as seguintes caracterIsticas:
a) Alimentação pela própria linha telefônica, independe~
te de polaridade.
b) Resistência DC de saída da ordem de 200n.
ê) Ganho em tensão independente do comprimento da linha
de transmissão, ou equalização
d) Proteção contra sobre-tensões •
e) Insensibilidade com variações de temperatura.
f) Resposta em frequência de acordo com as normas.
Considerando estas exigências e as características - do
microfone construido, foi projetado o circuito mostrado na Figura
18.
Chegou-se a esta configuração, depois de inúmeros proje
tos, sendo que, os primeiros circuitos apresentavam falhas, prin-
cipalmente quanto a polarização, número excessivo de componentes e•resposta em frequência. Algumas das principais configurações ten
tadas estão mostradas na Figura 19
..
40
III D2I D3
---'--c 3 R, WR3II ,
,D,t III 4---1--V O,
C,
I c2'
nRS-r-f05oI
I>I\\R4
I
IIIJ6A
FIG. 18 - Circuito amplificador da cápsula transmissora.
4.1- Análise do circuito amplificador
o circuito é composto por 3 estágios básicos:
a) Casador de impedância (Pré-amplificador), colocado den
tro do microfone, a fim de diminuir as capaci tâncias pa
rasitas e minimizar a indução da rede de 60 Hz. ~ usa
do o casador de impedância J6A, usado no microfone de
eletreto- tipo 1033 RDZ, microfone encontrado facilmen
te nas lojas especializadas em material eletrônico. Es
te componente se comporta corroum FET de alta qualidade,
que trabalha com baixos níveis de tensão e corrente. O
resistor Rl serve para polarizar o pré-amplificador.
b) Amplificador propriamente dito, formado pelo transis
tor Ql~ os resistores de polarização R3, R4 e R5 e o
capacitor C3 que filtra as frequências altas.
c) Estágio de proteção contra sobretensões e inversao de
polaridade, formado pelo diodo zener Dl e os diodos de
41
R2
DI
RI R3
CI t
R4
J6A
R3
02
D4
03
D5
+
CI03
FIG. 19 - Circuitos anteriores po amplificador definiti
vo
sinal D2 a D5.
R2, Cl e C2 servem para desacoplar em DC, o pré-amplifi-
cador do amplificador.
Este desacoplamento, facilita a análise teórica do cir -
cuito.
4.1.1- Análise do pré-amplificador
Esta análise consiste em levantar as características do
pré-amplificador, no ponto de trabalho, já que não foi possível
42
obter o esquemq el~trico interno, As principais cqracterísticas
do pré-amplificador são:
a) Resistência de entrada = 30M~ (O e 5 Km)
b) Resistência dc equivalente = 21 K~ (O e 5 Km)
c) Ganho em tensão (Gv) ={ -42,0 (O Km)-40,4 (5 Km)
o circuito equivalente, nas condições de funcionamentoé
mostrado na Figura 20
EO 1- - - --IIVe ~21K 5
I I Y30MnVGvIC I
• •
___ I
FIG. 20 - Circuito equivalente do pré-amplificador
Incluindo o resistor de polarização RI e considerando o
desacoplamento dc, o circuito equivalente total ac do pré-ampli-
ficador fica sendo o mostrado na Fig. 21
A.v = 0,09 GvAv Ve
30Mfi
Eo .\/. ~S
C
FIG. 21 - Circuito equivalente total ac do pré-amplificador
43
4.1.2- Análise teórica do amplificador propriamente dito
o circuito equivalente ac do estágio de amplificação a
transistor, está mostrado na Figura 22
FIG. 22 - Circuito equivalente ac do estágio a transis
tor
Onde RL corresponde a resistência equivalente vista pe-
Ia cápsula transmissora. Para análise usaremos, para o transis
tor, o mod~lo híbrido simplificado para baixos sinais (IO), mostra-
do na Figura 23
8
E
ib ~
hie
t..l(3ib
c
FIG. 23 - ~odêlo híbrido simplificado para baixos sinais
44
Usando este modêlo obtemos o circuito mostrado na Figura
24.
v·I
Rg'
hie ~ib
FIG. 24 - Circuito equivalente do estágio a transistor
Para facilidade de análise, aplicamos o teorema de Mil
ler e seu dual (11) nos resistores RF e RE, conseguindo o circuito
da Figura 25, mais fácil de ser analisado.
hie+pRE
Av. VoV'I
FIG. 25 - Circuito equivalente usado para análise do es
tágio a transistor
45
Para este circuito, encontramos
a). Ganho em tensão (A.v)
Av
~ RpRL- - (Rp+RL)(RE+hie)
B
hie
= resistência diferencial do transistor
S
_ ic
ibb)
Resistência de entrada(Ri)
Para os valores usados no circuito,ou seja
RF
=24 K~
RB
=18 K~
RE
=13 ~
CF
=2,2 nF
B
=500
=
obtemos
23 7 ~ (OKm)
=
=
12,4
1,5 K~ Ii 29,5 nF
Para 5 Km, RL = 473 ~
Av = - 24,4
= 820 ~ Ii 55,9 nF
A diferença entre O e 5 Km é compensada pela diminuição do
ganho do pré-amplificador e da resistência de entrada do amplific~
dor. Desta forma, o ganho total (incluindo o pré-amplificador)tem
como valor, Av = - 20,11 para O Km e Av = 25,51 Dara 5Km ou se]'a ,T T ~ ,
uma diferença de 2 dB. Esta diferença é favorável, pois há tendên-
cia a compensar a atenuação introduzida pela linha de transmissão.
46
o circuito pode ser melhorado, introduzindo um estágio
darlington , no lugar do transistor único, de tal forma que o
ganho independa completamente dos parâmetros dos transistores
usados. Desta forma, o ganho do estágio a transistor seria
Av = - ~L , diretamente proporcional ao comprimento da linha deE
transmissão.
Circuitos com estas características foram construí
dos, apresentando bons resultados. No entanto, devido ao maior
número de componentes e principalmente ao fato do circuito com
somente 1 transistor ter apresentado resultados satisfatórios ,
optou-se por este cornoo protótipo deste trabalho.
4.2- Sistema de teste do amplificador
Este sistema simula, do ponto de vista elétrico, as
condições reais de funcionamento da cápsula transmissora, aomes
mo tempo que permite observar, diretamente no osciloscópio, a
resposta em frequência do amplificador e a distorção, (forma da
onda), em função do comprimento da linha de transmissão. O dia-
grama em blocos do sistema de teste está mostrado na
26.
p
Figura
G vco
FIG. 26 - Diagrama em blocos do sistema de teste do
amplificador
47
o siste~G ê ~onstit~ido de dU~$ pGrtes principais. A
primeira simula os sistemas de alimentaçâo e transmissão tele
fônicos, ou seja, consta do telefone alimentado por uma ponte
de alimentação (P) de 48 V, 500 n, 10 H, através de uma linha
artificial de 50 nF/Km e 280 n/Km (LAT), correspondente a cabo
de 0,4 mm de diâmetro, com comprimento de linha variável de
O a 7,5 Km, em passos de 0,5 Km. Na saída da ponte de alimenta
çao é colocada uma carga de 600 n em série com 10~F, que corres
ponde ao telefone do assinante sendo chamado. A alimentação do
amplificado~_(A) é obtida dos contatos no monofone onde seria
colocada a cápsula transmissora. A segunda simula o sinal de
voz e o microfone, através do sinal elétrico aplicado na entra
da do amplificador, através de CM ~ Este sinal é dado por um
gerador de áudio marca Philips, modêlo PM 5127, trabalhando no
modo de oscilador controlado por tensão (VcO), excitado por um
gerador de varredura logarítmica (G) de construção própria.
Como telefone,utilizamos o equivalente resistivo do
"jig" de transmissão recomendado pela TELEBRÂS , mostrado na
Figura 27 .
A linha artificial é de marca FONEMAT modelo LAT 7,5
80. As indutâncias foram construídas na oficina eletrônica -do
IFQSC ~ USP.
O sinal transmitido aparece na forma de amplitude mod~
lada, sendo que a envoltória superior corresponde a resposta em
frequência (relativa a entrada) no ponto de medida.
Este sistema foi de muita utilidade no projeto e ajuste
funcional do amplificador, pois é observada direta~ente no osci
loscópio a influência da mudança de componentes no amplificador
em função do comprimento da linha de transmissão. Com este sis
tema foi levantada a resposta em frequência do amplificador, p~
ra O e 5 Km, mostrada na Figura 28.
..
39fi
Transmissor
27fi
Linha
48
FIG. 27 - Equivalente resistivo do "jig" de transmis --
sao.
A resposta corresponde aos valores esperados do cálcu
10 teórico apresentado.
4.3- Simulação no computador do circuito amplificador
Na simulação no computador do circuito amplificador é u
sado o programa SPICE 2(12), específico para este fim. Este pro -
grama, simula circuitos eletrônicos, a partir de modelos contidos
no programa, para dispositivos semicondutores e nao semiconduto -
res (resistores, etc.). Para transistores é usado o modêlo de
EBERS-MOLL e para diodos a sua característica VxI. Para usar o
programa, é necessário inserir o circuito no mesmo. Isto é feito,
numerando os nós (ligações entre componentes) existentes no cir -
cuito, especificando o componente que está· localizado entre cada
conjunto de nós. Para uma simulação fiel e que pudesse ser acompa
nhada na prática, foi simulado o amplificador, nos sistemas tele-
fBnicos, usando para o telefone, o equivalente resistivo do "jig"
de transmissão recomendado pela TELEBRÃS, já mostrado na Figura
50co"'O
40
30
20
10
o Km- ---5 Km
- •...•. - - - --- --- - -- -- - ..........
•..•..•.•.
....•..•.•..
.•.••.,
o100 Hz 200 500 1000 2000 5000 10000
FIG. 28 - Resposta em frequência do amplificador levantada no sistema de teste (O e 5 Km).s::..
\O
5H270390IKO
24KO
16,32pF LKO II
1::''- III Ir 16000_nF+
II Ve ,+ IJ v ~""... ~.,...,I~1-50 fllfK m5600-
I48V
T+ 10}.lF::::::112500
VM I \.:::J ___
~18Kn ..""""' •.•.•._ •. - I
II
~-
,~
{-42'O (OKml
62.5n/l<mAv· -40,4 (5Km)
FIG. 29 - Circuito usado na simulação no computador, do amplificador da cápsuLa transmissoralJlo
51
27 .
Para o pré-ampl~ficadox, é usado o circuito equivalente
]i mostrado na Figura 20 . O circuito total a ser simulado está
mostrado na Figura 29.
Para temperaturas de 27 e 600C, obtemos na saída da
~capsula, para O e 5 Km de linha de assinante, a resposta em fre-
quência mostrada nas Figuras 30.a e 30.b das quais pode
mos ver que o resultado da simulação coincide com os resulta
dos teóricos e experimentais obtidos.
28
2010g Gv
23
cn"C
18
13 <
100
o Km- 27°C--- 60°C
11<Hz
101<
FIG. 30.a - Resposta em freguência para O Km, 27 e 600C
4.4- Influência da temperatura na resposta em freguência
o amplificador montado na placa do circuito impresso mos
trado na Figura 31 em funcionamento no sistema de medidas, foi
52
28
2010g Gv
23
18
13100
5Km-27°C--- 60°C
IK H! 10K
FIG. 30.b - Resposta em frequência para 5 Km, 27 e 600C
submetido a temperatura de 600C durante 3 minutos, nao apresentan-
do variação perceptível na sua resposta em frequência. Isto era es
perado, já que a configuração usada no amplificador, usa bastan
te realimentação negativa, o que proporciona ao circuito, estabili
dade contra variações térmicas.
Esta medição confirmou os resultados obtidos na simulação
(Figuras 30.a e 30~b , na qual a diferença na resposta para
27 e 600C foi menor do que 0,5 dB.
4.5- Montagem e encapsulamento da cápsula transmissora
A cápsula transmissora é formada pelo microfone mais am -
plificador, os quais estão montados na placa de circuito impresso
já mostrado na Figura 31 O microfone é montado no furo cen
53
FIG. 31 - Placa de circuito impresso do amplificador
,traI soldando a carcaça no impresso. O conjunto é colocado num in
vólucro plástico fornecido pela S Elétro-Acústica (Indústria Na -
cional que fabrica cápsulas transmissoras) o qual é compatí
vel mecanicamente com os telefones usados na atualidade.
A cápsula transmissora já encapsulada, está mostrada na
Figura 32.
54
38.6
2,2 II 16.2--+ - --
1:3,9 45.7
®D__ JJ
FIG. 32 - Cápsula Transmissora
1 - Tampa superior, 2 - Espuma para vedação
acústica, 3 - Amplificador e microfone, 4 -
Tampa inferior com contatos.
55
cAP1rULO v
RESULTADOS E CONCLUSÕES
Para ter uma melhor visão das exigências a serem cumpr!
das pelo protótipo desenvolvido,descreveremos antes de mostrar os
resultados, as principais normas, específicas para cápsulas trans
missoras lineares, e o sistema padrão usado para verificar es
tas normag.
5.1- Normas TELEBRÁS para aceitação de cápsulas transmissoras li
neares (13)
As normas, dizem quanto a limi tes< de aceitação em medi
das objetivas elétricas e elétro-acústicas, sendo as principais,
citadas a seguir:
a) Características de emissão
b) Distorção de atenuação
c) Distorção harmônica
d) Inversão de polaridade
Existem outras normas a serem cUmpridas, as quais dizem
na sua maioria com respeito a durabilidade, resistência mecâni
ca e testes climáticos. Entretanto, estas normas são verifica
das somente depois de serem satisfeitas as normas eletro-acústi
cas citadas anteriormente, pois são estas as que medem a eficiên-
cia da transmissão.
5.1.1- Características de emissao
As características de emissão são determinadas pelo cha-
mado Equivalente de Referência de Transmissão (ERT) , que mede a
atenuação introduzida no sinal transmitido pela c~psula, em fun -
56
ção do compximento da linha de assinante. ~ medida é ~ealizada na
resist~ncia. de 600 n correspondente a.o assi.nante na. recepção. Na
realiza~ão desta medida, é utilizado um "jig" de teste determina
do pela TELEBRÁS, em substituição ao telefone, com o objetivo de
padronizar as medidas objetivas, j~ que os telefones, possuem e -
qualização, a qual pode variar dependendo da marca do telefone. O
esquema el~trico do "jig" de teste usado atualmente est~ mostrado
na Figura 33.
FIG. 33 - Esquema elétrico do "jig" de teste recomenda
do pela TELEBRÁS.
Os lirnites padrão para o ERT em função do comprimento da
linha de assinante, estão mostrados na Figura 34.
5.1.2- Distorção de atenuação
A distorção de atenuação é caracterizada, pela resposta
em frequência, também medida na resistência de 600 Q já citada .
Os limites para a resposta em frequência, recomendados para li
nha de assinante de O Km, estão mostradas na Figura 35.
57
dB
___ Limite da média
Limite individual
140011I •5 Km
+5.0
....,. .•.7. O
+9.0
1120-I-4
840--+
:3
280
-4-2o
+2
+4
+6
+8+10
t'Z '0
o
FIG. 34 - Limites de ERT para cápsulas transmissoras li
neares.
Esta resposta está baseada na atenuação da linha de as -
sinante, na intelegibilidade e na mudança com a frequência, da
pressao acústica na entrada do ouvido, quando se conversa ao ar
livre.
5.1.3- Distorção harmônica
Por norma, na faixa de frequência de 300 a 3400 Hz, a
atenuação da distorção harmônica, na transmissão, deve estar pelo
menos 20 dB, abaixo do nível da componente fundamental na frequê~
cia de 800 Hz, medida com linha de assinante de O Km.
5.1.4- Inversão de polaridade
Por norma, quando da inversao de polaridade nos terminais
50
m"'C
40
30
20
10
o100 Hz
!
200 300 500 1000 2000 10000
I
I
lFIG. 35 - Limites para a resposta em frequência de cápsulas trans missoras lineares
L.J1co
59
do aparelho telefônicor com linha de assinante de 3 Km, o valor
do ERT deve manter-se dentro de 0,5 dB
versão da polaridade.
do valor anterior a in -
5.2- Sistema padrão para medidas objetivas OREM-A(14) (Medidas ob
jetivas de equivalêntes de referência) .
o diagrama em blocos do sistema padrão para medidas ob-
jetivas está mostrado na Figura 36.
BocaArtificial
18H])Oscilador
FIG. 36 - Diagrama em blocos do sistema padrão para me
didas objetivas.
o sistema utiliza um oscilador que fornece um sinal de
varredura entre 200 e 4000 Hz à razão de uma varredura por segun
do. O sinal é aplicado a uma boca artificial, na saída da qual
é produzida uma pressão acústica de 94,6 dE referidos a
0,0002 ~ar, constante com a frequência. O sinal de voz da boca
artificial é aplicado à cápsula transmissora sob ensaio a qual
está montada em um conjunto especial que simula o monofone. O si
nal elétrico resultante da cápsula transmissora, é aplicado a
um circuito de medida, que mede a diferenca deste sinal e um si-~
nal padrão interno. O padrão interno é baseado nas constantes do
sistema SFERT (sistema fundamental europeu de referência para
60
transmissão te;J.,efonicat.No entÇ\nto( AÇJ. P.tu~lidP.deO sisteIflP.reco
mendado pela CCITT (Comitê Consultivo Internacional de Telegrafia
e Telefonia}, é o sistema subjetivo NOSFER (Novo Sistema Fundamen
tal, para determinação dos Equivalentes de Referência). No Brasil
este sistema só é encontrado nos laboratórios da Telerj no Rio
de Janeiro. Assim o sistema OREM-A baseado no SFERT ainda é o
mais utilizado no Brasil.
s.]- nesultados Jas Medidas Objetivas
Na realização das medidas objetivas, foi usado o equipa
mento padrão, marca Büel & Kjaer existente no CPqD da TELEBRÃS em
Campinas. Mostraremos, para efeito de comparação, também os resul
tados das medidas para uma cápsula transmissora dinâmica aindapr~
tótipo e para uma cápsula transmissora de carvão já comercial, am
bas fabricadas pela S Eletro-Acústica.
5.3.1- Características de emissão
Na Figura 37 estão mostrados os valores obtidos do ERT
em função do comprimento da linha de assinante, para as 3 capsu-
Ias transmissoras citadas, onde notamos a superioridade da capsu-
Ia de eletreto, principalmente em relação à de carvão.
5.3.2- Distorção de atenuação e distorção harmônica
Nas Figuras 38, 39 e 40 estão mostradas as curvas de
resposta em freguência e de distorção harmônica para as três cáp-
sulas transmissoras citadas, onde notamos a superioridade da cáp-
sula de eletreto.
5.3.3- Inversão de polaridade
No teste de inversão de polaridade, nas cápsulas linea -._._,..•..•-..~.•.-,---_.
: f\ DE S,lO CARLOS· USP
FIStC"
61
dB
-2
o
+2 \940-+-
:3
1120 fi 1400I I4 Km 5
'"• usando telefone Gradiente
.
___ carvão~___ Dinâmica
Eletreto "'"
+8
+6
+4
'" .
+10, '"
FIG. 37 - Resultados obtidos para o ERT
res, não houve mudança perceptível, no valor do ERT e na cápsula
de carvão, o valor não variou mais do que 0,5 dB.
5.4- Conclusão
Corno pode ser visto dos resultados mostrados,a-cápsula
transmissora de eletreto que desenvolvemos,obedece rigorosamen-
te as normas, apresentando características equivalentes ou supe-
riores as da similar dinâmica, e completamente superiores as da
cápsula transmissora de carvão. Vários protótipos de cápsula
lIf usando telefone Gradiente
100005000
Distorção
Fundamental
2000
12dB
Carvão •
800 1000500200
10
o100 Hz
20
30
40
50
CD"'O
FIG. 38 - Resposta em frequência e distorção harmônica da cãpsula. transmisso ra de ~carvaoCi'IN
50m"C
40
30
20
10
o100 Hz 200 500
Dinâmica
24,5 dB
800 1000 2000
Distorção/5000 10000
FIG. 39 - Resposta em frequência e distorção harmônica da câpsula tr ansmissora dinâmi. ca
0"'\
W
50
100005000
Fundamental
2000
Eletreto
500 8001000200
30I24dB
I
II
I
20 \.
Distorçoo
I _
- - --rv../- - - - - 1-
"'10' ,
o100 Hz
40
CD-c
FIG. 40 - Resposta em frequência e distorção harmônica da cápsul a transmissora de eletreto0"1.J:o>
65
translTlissora,de elet;t;'etofO;t;'Çl,ll}construidosf todo§ apresentando
características idênticas, o que mostra, a boa reprodutibilida-
de consegui da. Vale salientar ainda que para todos os protóti-
pos construídos, os componentes não foram selecionados, e as -
sim a cápsula transmissora é insensível a variação de componen
as cápsulas transmissoras de carvão atualmente usadas, sem in-
troduzir-modificações nos sistemas telefônicos. Vantagens eco
nômicas poderão resultar do desenvolvimento de métodos indus -
triais de fabricação, o que já está sendo realizado por uma in
dústria nacional, a S Elétro Acústica, através da TELEBRÂS. Um
protótipo anterior já foi objeto de pedido de privilégio de pa
tente no Brasil. Por outro lado o domínio da técnica de produ-
zir eletretos estáveis, assim como da teoria básica dos micro-
fones de eletreto, abre a perspectiva de fabricação de microfo
nes para as mais diversas aplicações, mudando quando necessá
rio, a eletrônica e acústica envolvidas. Na continuidade deste
trabalho será necessário desenvolver um método de fixação da
membrana mais apropriado, usando colagem ou não, assim como um
circuito a base de componentes discretos que substitua o pré--
amplificador integrado, já que é importado. Desta forma, a na
cionalização da cápsula transmissora atingiria, com exceção do
Teflon FEP, todos os materiais e componentes utilizados. Com o
protótipo desenvolvido acreditamos ter atingido o objetivo ini
cial do trabalho .
•
66
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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REF. 245-150-711 (1982)
(14) TELERJ S.A. - TED 11-18-0002a -
2- Emissao